校園實(shí)景三維模型的構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

1、ADDIN NoteFirst.PublicStoreADDIN NoteFirst.PublicStore西 南 交 通 大 學(xué)本科畢業(yè)論文校園實(shí)景三維模型的構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布年 級(jí): 學(xué) 號(hào): 姓 名: 專 業(yè): 指導(dǎo)老師: 2017 年 5 月Southwest Jiaotong UniversityGraduation ThesisCONSTRUCTION AND WEB PUBLISHING OF CAMPUS REAL 3D MODELGrade: 2013Number: 20133260Name: Gong HuiSpeciality: Geographic Information

2、ScienceSupervisor: Cai GuolinMay, 2017西南交通大學(xué)本科畢業(yè)論文第PAGE IV頁(yè)院 系 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 專 業(yè) 地理信息科學(xué) 年 級(jí) 姓 名 題 目 校園實(shí)景三維模型的構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布 指導(dǎo)教師評(píng) 語(yǔ) 該論文在查閱國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，選擇西南交大犀浦校區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，首先利用旋翼無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)，處理并制作了數(shù)字正射影像圖和三維實(shí)景模型；然后構(gòu)建了一個(gè)校園實(shí)景三維系統(tǒng)，將正射影像圖和三維模型發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，并實(shí)現(xiàn)了校園實(shí)景瀏覽、信息查詢等功能。論文描述清晰、結(jié)構(gòu)合理、撰寫規(guī)范，表明作者具備一定的自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立分析解決問(wèn)題的能力。論文達(dá)到了本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的要

3、求，同意提請(qǐng)答辯。 指導(dǎo)教師 (簽章)評(píng) 閱 人評(píng) 語(yǔ) 評(píng) 閱 人 (簽章)成 績(jī) 答辯委員會(huì)主任 (簽章) 年 月 日畢業(yè)論文任務(wù)書班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 發(fā)題日期：2016年11月30日 完成日期：2017年5月19日題 目 校園實(shí)景三維模型的構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布 1、本論文的目的、意義WebGIS系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)共享的重要方式之一，可將區(qū)域的空間布局、環(huán)境面貌展現(xiàn)給用戶。目前大部分WebGIS系統(tǒng)以二維地圖的方式展示地理空間數(shù)據(jù)，表現(xiàn)方式單一、抽象，不能貼切地還原真實(shí)場(chǎng)景。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建的三維模型精度較高、紋理逼真，將其發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)，一方面可以更好地展示三維的實(shí)景；另一方面，通過(guò)與地

4、物屬性信息的結(jié)合，用戶在瀏覽三維實(shí)景的同時(shí)，還可對(duì)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)和環(huán)境有更全面的了解。利用無(wú)人機(jī)影像建模，并構(gòu)建一個(gè)基于WebGL的校園實(shí)景三維信息系統(tǒng)，能真實(shí)地還原空間布局及景物環(huán)境，使用戶更好地了解區(qū)域環(huán)境。 2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù) (1) 學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)相關(guān)知識(shí)，練習(xí)操控?zé)o人機(jī)采集影像。 (2) 制定飛行計(jì)劃，操控?zé)o人機(jī)采集犀浦校區(qū)正射影像和各建筑的傾斜影像，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。 (3) 對(duì)影像數(shù)據(jù)按照專業(yè)流程進(jìn)行處理，生成數(shù)字正射影像和三維模型，并進(jìn)行后處理，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)發(fā)布。 (4) 學(xué)習(xí)基于WebGL的開源框架Cesium，理解其代碼組織結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)HTML、JavaScript等前端開發(fā)語(yǔ)

5、言，搭建網(wǎng)頁(yè)。 (5) 設(shè)計(jì)校園實(shí)景三維系統(tǒng)架構(gòu)，組織系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使用Cesium框架發(fā)布模型。并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括場(chǎng)景瀏覽，信息查詢等。 3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共 16 周）第一部分 收集資料與查閱文獻(xiàn)，調(diào)查相關(guān)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 (2周)第二部分 操控?zé)o人機(jī)采集犀浦校區(qū)正射影像及傾斜影像。 (3周)第三部分 對(duì)采集到的無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行處理，生成犀浦校區(qū)正射影像圖以及校園 內(nèi)建筑三維模型。 (4周)第四部分 搭建網(wǎng)絡(luò)三維系統(tǒng)，編寫代碼，發(fā)布模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 (3周)第五部分 完成論文寫作。 (3周)評(píng)閱及答辯 評(píng)閱及答辯。 (1周)備 注 指導(dǎo)教師： 年 月 日審 批 人： 年

6、 月 日摘 要WebGIS系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)共享的重要方式之一，可將區(qū)域內(nèi)的空間布局、環(huán)境面貌展現(xiàn)給用戶。目前大部分WebGIS系統(tǒng)以二維地圖的方式展示地理空間數(shù)據(jù)，表現(xiàn)方式單一、抽象，不能貼切地還原真實(shí)場(chǎng)景。部分系統(tǒng)將三維模型一并加載，但模型多由人工構(gòu)建，貼圖真實(shí)感不夠，導(dǎo)致展示效果不佳。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建的三維模型精度較高、紋理逼真，將其發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)，一方面可以更好地展示三維的實(shí)景；另一方面，通過(guò)與地物屬性信息的結(jié)合，用戶在瀏覽三維實(shí)景的同時(shí)，還可對(duì)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)和環(huán)境有更全面的了解?；诖耍疚囊晕髂辖煌ù髮W(xué)犀浦校區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，將無(wú)人機(jī)遙感、WebGIS等技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、區(qū)域?qū)嵕敖?/p>

7、模與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，構(gòu)建了一個(gè)基于WebGL的校園實(shí)景三維信息系統(tǒng)。具體研究工作如下：(1) 在分析無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究無(wú)人機(jī)垂直與傾斜攝影技術(shù)，并通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感獲取了西南交通大學(xué)犀浦校區(qū)的垂直影像與建筑物的傾斜影像。(2) 研究攝影測(cè)量與三維重建相關(guān)技術(shù)方法，對(duì)垂直與傾斜影像進(jìn)行處理，制作了西南交大犀浦校區(qū)正射影像與建筑物實(shí)景三維模型。(3) 設(shè)計(jì)校園實(shí)景三維系統(tǒng)總體架構(gòu)、系統(tǒng)界面與功能，使用HTML、CSS和JavaScript技術(shù)編制了一個(gè)基于Web的校園實(shí)景三維信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)將三維模型及正射影像發(fā)布至服務(wù)器，以逼真的形式將校園環(huán)境展現(xiàn)在瀏覽器端，并為用戶提供了校園場(chǎng)景瀏覽、

8、建筑信息查詢等功能。結(jié)果表明，本文搭建的校園實(shí)景三維系統(tǒng)較為真實(shí)地還原了校園空間布局及環(huán)境，使用戶對(duì)校園環(huán)境有更好的沉浸感。關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；傾斜攝影建模；影像處理；WebGL；網(wǎng)絡(luò)發(fā)布第PAGE VI頁(yè)AbstractWebGIS system is one of the important ways to share geographic data, which shows the spatial layout and environment of the area to users. At present, most WebGIS systems display geospatial da

9、ta in the form of two-dimensional map. This kind of performance is single, abstract, and cannot be appropriate to reconstruct the real scene. Some of systems also load 3D models which are constructed artificially. Their textures are not real enough, resulting in poor display. 3D models constructed b

10、y oblique photography of unmanned aerial vehicles are more accurate and the texture is realistic. Published to web, on the one hand, 3D models can show the three-dimensional real scene better. On the other hand, through the combination with the attributes of the landmark, they give users a more comp

11、rehensive understanding of the objectives and environment in the area while browsing the 3D real scene.Based on the above, this paper takes Xipu campus of Southwest Jiaotong University as experimental area, combines UAV remote sensing, WebGIS and other technologies together, constructs a WebGL based

12、 campus real 3D information system through data collection, regional real modeling and web releasing. The specific work in this paper consists of the follows.(1) On the basis of analyzing the present situation of UAV remote rensing technology application, UAV vertical and oblique photography techniq

13、ues are studied. Vertical image of the Xipu campus of Southwest Jiaotong University and the oblique image of the building are captured through UAV remote sensing.(2) Based on study of the methods of photogrammetry and 3D reconstruction, vertical and oblique images are processed to build orthophoto o

14、f Xipu campus of Southwest Jiaotong University and real 3D models of the buildings.(3) The overall architecture, system interface and function of the campus real 3D system are designed. A web-based campus real 3D information system is constructed using HTML, CSS and JavaScript. The system releases 3

15、D model and orthophoto map to the server, and displays the campus environment in a realistic form on the browser. It also provides users with the functions of campus scene browsing and building information inquiry.The result shows that the campus real 3D system can restore the campus space layout an

16、d environment, so that users can better understand the campus environment.Key words: UAV, oblique photograph modeling, image processing, WebGL, web publishing目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc483670101 第1章 緒論 PAGEREF _Toc483670101 h 1 HYPERLINK l _Toc483670102 1.1 研究意義 PAGEREF _Toc483670102 h 1 HY

17、PERLINK l _Toc483670103 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc483670103 h 2 HYPERLINK l _Toc483670104 1.3 研究目的、研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線 PAGEREF _Toc483670104 h 3 HYPERLINK l _Toc483670105 1.3.1 研究目的 PAGEREF _Toc483670105 h 3 HYPERLINK l _Toc483670106 1.3.2 研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc483670106 h 3 HYPERLINK l _Toc483670107 1.3.3 技術(shù)路線 PAGE

18、REF _Toc483670107 h 4 HYPERLINK l _Toc483670108 1.4 本文章節(jié)安排 PAGEREF _Toc483670108 h 5 HYPERLINK l _Toc483670109 第2章 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)概述及數(shù)據(jù)采集 PAGEREF _Toc483670109 h 6 HYPERLINK l _Toc483670110 2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc483670110 h 6 HYPERLINK l _Toc483670111 2.2 垂直影像采集方法與流程 PAGEREF _Toc483670111 h 8 HYPERLINK

19、l _Toc483670112 2.2.1 垂直影像采集方法 PAGEREF _Toc483670112 h 8 HYPERLINK l _Toc483670113 2.2.2 垂直影像采集流程 PAGEREF _Toc483670113 h 9 HYPERLINK l _Toc483670114 2.3 傾斜影像采集方法與流程 PAGEREF _Toc483670114 h 11 HYPERLINK l _Toc483670115 2.3.1 傾斜影像采集方法 PAGEREF _Toc483670115 h 11 HYPERLINK l _Toc483670116 2.3.2 傾斜影像采集流

20、程 PAGEREF _Toc483670116 h 12 HYPERLINK l _Toc483670117 2.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc483670117 h 13 HYPERLINK l _Toc483670118 第3章 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理 PAGEREF _Toc483670118 h 14 HYPERLINK l _Toc483670119 3.1 垂直影像處理 PAGEREF _Toc483670119 h 14 HYPERLINK l _Toc483670120 3.1.1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相關(guān)技術(shù)方法 PAGEREF _Toc483670120 h 14 HYPERL

21、INK l _Toc483670121 3.1.2 預(yù)處理 PAGEREF _Toc483670121 h 18 HYPERLINK l _Toc483670122 3.1.3 空三加密 PAGEREF _Toc483670122 h 20 HYPERLINK l _Toc483670123 3.1.4 正射影像生成 PAGEREF _Toc483670123 h 21 HYPERLINK l _Toc483670124 3.2 傾斜影像處理 PAGEREF _Toc483670124 h 23 HYPERLINK l _Toc483670125 3.2.1 傾斜攝影測(cè)量相關(guān)技術(shù)方法 PAGE

22、REF _Toc483670125 h 23 HYPERLINK l _Toc483670126 3.2.2 空三解算 PAGEREF _Toc483670126 h 26 HYPERLINK l _Toc483670127 3.2.3 三維模型生成 PAGEREF _Toc483670127 h 27 HYPERLINK l _Toc483670128 3.2.4 模型后處理 PAGEREF _Toc483670128 h 28 HYPERLINK l _Toc483670129 3.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc483670129 h 29 HYPERLINK l _Toc4836

23、70130 第4章 校園實(shí)景三維網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc483670130 h 30 HYPERLINK l _Toc483670131 4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc483670131 h 30 HYPERLINK l _Toc483670132 4.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc483670132 h 30 HYPERLINK l _Toc483670133 4.1.2 系統(tǒng)界面及功能設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc483670133 h 31 HYPERLINK l _Toc483670134 4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù) PAGER

24、EF _Toc483670134 h 32 HYPERLINK l _Toc483670135 4.3 系統(tǒng)界面及功能實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc483670135 h 33 HYPERLINK l _Toc483670136 4.3.1 系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc483670136 h 33 HYPERLINK l _Toc483670137 4.3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc483670137 h 34 HYPERLINK l _Toc483670138 4.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc483670138 h 36 HYPERLINK l _Toc4

25、83670139 第5章 總結(jié) PAGEREF _Toc483670139 h 37 HYPERLINK l _Toc483670140 致謝 PAGEREF _Toc483670140 h 38 HYPERLINK l _Toc483670141 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc483670141 h 39西南交通大學(xué)本科畢業(yè)論文第PAGE 42頁(yè)第1章 緒論1.1 研究意義網(wǎng)絡(luò)實(shí)景三維GIS系統(tǒng)，整合了三維GIS系統(tǒng)形象逼真、模擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)點(diǎn)和WebGIS系統(tǒng)輕便、跨平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，因此用戶可以方便地通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)三維地理信息系統(tǒng)，在系統(tǒng)中看到接近原貌的地物和場(chǎng)景，享受到比傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)更好的

26、體驗(yàn)。而現(xiàn)有的三維WebGIS系統(tǒng)中，大多為閉源、收費(fèi)的商業(yè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大多數(shù)據(jù)格式單一，可擴(kuò)展性、可操作性差，面向商業(yè)應(yīng)用而缺少面向個(gè)人用戶的服務(wù)。因此，一種輕型、開放、面向公共服務(wù)的三維地理信息系統(tǒng)是值得開發(fā)和推廣的。本文嘗試將三維GIS與WebGIS結(jié)合，搭建一個(gè)面向校園用戶的開放網(wǎng)絡(luò)實(shí)景三維GIS平臺(tái)，為校園師生提供場(chǎng)景瀏覽、信息查詢等服務(wù)。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展快速，其小型、便捷、高效的特點(diǎn)給GIS帶來(lái)了新的血液，成為了GIS數(shù)據(jù)采集的重要手段之一。其中小范圍地區(qū)以多旋翼無(wú)人機(jī)為主，大范圍地區(qū)以固定翼無(wú)人機(jī)為主。四旋翼、六旋翼、八旋翼等旋翼無(wú)人機(jī)以其攜帶方便、起降場(chǎng)地要求低、安全性高

27、等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了大多數(shù)的市場(chǎng)。以國(guó)產(chǎn)大疆精靈4無(wú)人機(jī)為例，其所有作業(yè)設(shè)備均可放入小型手提箱，總重3.5kg。無(wú)人機(jī)飛行重量1380g，飛行時(shí)間約28分鐘，以150m高度、航向重疊率80%、旁向重疊率60%采集1km2范圍的垂直攝影影像，用時(shí)約18分鐘，地面分辨率為6.5cm/px。精確的GPS定位和較高的分辨率給小范圍的測(cè)繪以及傾斜攝影任務(wù)帶來(lái)了更精確的成果。利用無(wú)人機(jī)便捷、靈活和高分辨率的優(yōu)勢(shì)，本文以無(wú)人機(jī)航空攝影作為研究數(shù)據(jù)的主要采集方式，采集校園內(nèi)的建筑影像信息，生成三維模型并發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)實(shí)景三維平臺(tái)。三維模型在工業(yè)、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。對(duì)于三維模型本身，其格式多樣化，給數(shù)據(jù)共

28、享與管理造成難度；且某些三維模型數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡(luò)傳輸耗時(shí)。而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)，如Flash、Java3D、X3D等，大多需要安裝瀏覽器插件來(lái)實(shí)現(xiàn)，且存在兼容性方面的問(wèn)題。利用WebGL技術(shù)能很好地解決以上問(wèn)題。WebGL是新一代的Web3D圖形標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)WebGL技術(shù)無(wú)需安裝插件，直接調(diào)用GPU進(jìn)行運(yùn)算，渲染效果好，并且WebGL支持輕量化的gltf三維模型格式，能更快速地傳輸三維數(shù)據(jù)。綜上所述，本文嘗試建立基于無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的校園實(shí)景三維系統(tǒng)。利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)拍攝影像并建模，連同校園正射影像發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，并使用WebGL技術(shù)，搭建網(wǎng)絡(luò)三維系統(tǒng)。對(duì)于新生或者參觀者，該系統(tǒng)將為用戶帶來(lái)逼真的校園場(chǎng)景和

29、一系列的校園信息，增加校園的影響力。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀無(wú)人機(jī)最早出現(xiàn)于1917年，由于微電子技術(shù)在當(dāng)時(shí)還未出現(xiàn)，無(wú)人機(jī)使用的幾乎全部是機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。直到20世紀(jì)90年代后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)的成熟，慣性導(dǎo)航裝置可以被集成在幾克重的電路板上，這使得智能化的、可自動(dòng)控制的無(wú)人機(jī)成為可能 REF _Ref482972305 r * MERGEFORMAT 1。2010年之后，集成電路、計(jì)算芯片和傳感器等計(jì)算機(jī)硬件以及配套軟件有了很大進(jìn)步，帶動(dòng)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)研究發(fā)展壯大。在國(guó)外無(wú)人機(jī)應(yīng)用起步較早，在環(huán)境遙感、礦山測(cè)量、農(nóng)業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域已廣泛使用 REF _Ref482985139 r * MERGEF

30、ORMAT 2 REF _Ref482985142 r * MERGEFORMAT 3。在國(guó)內(nèi)以大疆創(chuàng)新和零度智控為代表的民用無(wú)人機(jī)企業(yè)迅速成長(zhǎng)。2013年，大疆發(fā)布了第一代消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)，大疆精靈。隨之而來(lái)的大疆精靈3、4等機(jī)型，每一款都在上一代的基礎(chǔ)上有所繼承和發(fā)展，到現(xiàn)在的精靈4 Pro，已經(jīng)具備了GPS定點(diǎn)懸停、航點(diǎn)規(guī)劃、視覺定位、視覺跟隨、視覺避障等智能化的功能，在重量結(jié)構(gòu)等方面有了極大的改善。同時(shí)大疆公司也推出了經(jīng)緯M200、經(jīng)緯M600、農(nóng)業(yè)植保機(jī)等行業(yè)應(yīng)用機(jī)型，推動(dòng)了無(wú)人機(jī)在測(cè)繪、國(guó)土、電力、農(nóng)業(yè)、消防等行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展。專業(yè)化、定制化的無(wú)人機(jī)設(shè)備對(duì)于測(cè)繪地理信息行業(yè)是一個(gè)極

31、大的幫助，作為地理數(shù)據(jù)的入口，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量有著地面測(cè)量無(wú)法企及的效率，同時(shí)也比載人飛機(jī)測(cè)繪更為靈活，安全，節(jié)約了大量人力物力成本。2010 年國(guó)家測(cè)繪局開始實(shí)施已發(fā)布的有關(guān)無(wú)人機(jī)航攝要求的測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)字航攝儀檢定規(guī)程、無(wú)人機(jī)航攝安全作業(yè)基本要求、無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求、低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范、低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范及低空數(shù)字航空攝影規(guī)范等。隨著低空空域管理的改革，將逐步形成符合低空空域管理規(guī)律的組織模式、制度及運(yùn)作方式，進(jìn)而有效地開發(fā)、利用低空空域資源 REF _Ref482972351 r * MERGEFORMAT 4，無(wú)人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用隨之快速擴(kuò)張。隨無(wú)人機(jī)技術(shù)

32、一同興起的是傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際攝影測(cè)量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)從一個(gè)垂直和四個(gè)傾斜五個(gè)不同的視角同時(shí)采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理 REF _Ref482973534 r * MERGEFORMAT 5，它能夠較好地還原真實(shí)地物原貌，并且以高精度重建地物的幾何與紋理信息。三維模型通過(guò)與遙感影像、矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合，可以生成實(shí)景三維模型 REF _Ref482970927 r * MERGEFORMAT 6。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出了性能優(yōu)異的傾斜攝影數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如天寶公司AOS系統(tǒng)、VisionMap公司A3系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)傾斜相機(jī)SWD

33、C-5等。配套的數(shù)據(jù)后處理軟件也在不斷發(fā)展，主要有ASTRIUM公司的街景工廠、Bentley公司的Smart3D、Agisoft公司的PhotoScan等。這些軟件均支持傾斜影像導(dǎo)入、快速空三解算、自動(dòng)化生成模型與貼圖等功能，生成高質(zhì)量三維模型的同時(shí)也減少了人員工作量。WebGL技術(shù)在2009年8月由Khronos組織提出，它是一個(gè)跨平臺(tái)、開源、用于在Web瀏覽器創(chuàng)建三維圖形的API REF _Ref482970949 r * MERGEFORMAT 7。WebGL是一種3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)，它把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，通過(guò)直接運(yùn)行JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)了W

34、eb交互式三維動(dòng)畫的制作，無(wú)需安裝任何瀏覽器插件，就能直接調(diào)用OpenGL接口對(duì)HTML的canvas標(biāo)簽進(jìn)行圖形繪制等操作，提高了渲染速度 REF _Ref482992481 r * MERGEFORMAT 8。WebGL技術(shù)充分利用了GPU強(qiáng)大的圖形計(jì)算能力，省去了通過(guò)插件實(shí)現(xiàn)三維繪圖的繁瑣過(guò)程 REF _Ref482975379 r * MERGEFORMAT 9。由于該標(biāo)準(zhǔn)完全開源，WebGL得到了廣泛應(yīng)用，目前各大瀏覽器均已支持WebGL標(biāo)準(zhǔn)。WebGL能夠滿足三維地理信息系統(tǒng)中所有元素類型的創(chuàng)建，無(wú)論矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、文本標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均能展現(xiàn)在Web端的場(chǎng)景中，使用WebGL可

35、以實(shí)現(xiàn)瀏覽器端無(wú)插件繪制三維場(chǎng)景 REF _Ref482970964 r * MERGEFORMAT 10。對(duì)于數(shù)據(jù)量大，場(chǎng)景復(fù)雜的三維WebGIS場(chǎng)景，WebGL是最佳選擇。1.3 研究目的、研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線1.3.1 研究目的本文使用無(wú)人機(jī)技術(shù)，采集西南交通大學(xué)犀浦校區(qū)垂直及傾斜影像，對(duì)影像進(jìn)行處理，生成正射影像及建筑三維模型。并搭建校園實(shí)景三維信息系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)成果發(fā)布在服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景瀏覽、屬性查找和位置查詢等功能。1.3.2 研究?jī)?nèi)容基于研究目的，本文研究?jī)?nèi)容主要有以下三點(diǎn)：(1) 在研究分析無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上，遵循采集方法與規(guī)范，操作無(wú)人機(jī)分別采集西南交大犀浦校區(qū)的垂直和傾斜

36、影像，為實(shí)景三維系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。(2) 使用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)垂直和傾斜影像進(jìn)行預(yù)處理和空三加密，制作犀浦校區(qū)的數(shù)字正射影像圖和校園建筑的三維模型，并對(duì)三維模型進(jìn)行裁剪和格式轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。(3) 基于WebGL和WebGIS技術(shù)，搭建Web服務(wù)器端三維地理信息系統(tǒng)，發(fā)布西南交大犀浦校區(qū)正射影像與建筑三維模型，實(shí)現(xiàn)校園場(chǎng)景瀏覽、屬性查找和位置查詢等功能。1.3.3 技術(shù)路線本文使用無(wú)人機(jī)遙感作為數(shù)據(jù)采集手段，采集西南交大犀浦校區(qū)垂直和傾斜影像，并對(duì)垂直和傾斜影像分別處理，生成數(shù)字正射影像圖和建筑物三維模型。搭建了校園實(shí)景三維系統(tǒng)，將數(shù)字正射影像和三維模型發(fā)布至服務(wù)器，提供場(chǎng)景瀏覽與信息查詢功能。

37、首先，本文對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行概述，研究無(wú)人機(jī)影像采集方法，操控?zé)o人機(jī)分別采集校園的垂直和傾斜影像。其次，本文使用Pix4D軟件處理垂直影像，通過(guò)預(yù)處理、空三加密與影像拼，接制作數(shù)字正射影像圖；使用Smart3D軟件對(duì)傾斜處理影像，通過(guò)空三解算、三維重建與后處理，制作建筑物三維模型。最后，本文基于WebGL技術(shù)，通過(guò)HTML、CSS、JavaScript技術(shù)搭建校園實(shí)景三維系統(tǒng)，將正射影像圖和三維模型發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)景瀏覽和信息查詢功能。圖1-1 本文技術(shù)路線圖1.4 本文章節(jié)安排第1章：緒論，闡述本文研究意義，總結(jié)國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r以及無(wú)人機(jī)航測(cè)研究現(xiàn)狀，并以此提出研究目的、研究?jī)?nèi)

38、容及技術(shù)路線。最后概括論文章節(jié)安排。第2章：概述無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成，介紹垂直影像和傾斜影像的采集方法及流程。第3章：概述無(wú)人機(jī)影像處理相關(guān)技術(shù)方法，詳細(xì)介紹垂直影像與傾斜影像的處理方法及最終成果。第4章：設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)景三維系統(tǒng)架構(gòu)與功能，闡述系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織方式以及系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。第5章：總結(jié)本文的研究工作及成果。第2章 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)概述及數(shù)據(jù)采集本章首先概述無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，隨后詳細(xì)介紹了無(wú)人機(jī)垂直影像和傾斜影像的采集方法與流程。2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)概述無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle, UAV），是指利用地面遠(yuǎn)程控制設(shè)備和機(jī)載電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)地面站

39、遙控或自主飛行的不載人飛行器 REF _Ref482971030 r * MERGEFORMAT 11。廣義上無(wú)人機(jī)包括固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇等，本文所述無(wú)人機(jī)均指多旋翼無(wú)人機(jī)。多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要由飛行平臺(tái)、機(jī)載設(shè)備和相應(yīng)的地面控制設(shè)備組成 REF _Ref482985492 r * MERGEFORMAT 12。測(cè)繪行業(yè)中主流多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)有四旋翼、六旋翼和八旋翼配置。無(wú)人機(jī)的旋翼數(shù)越多，載重量越大，穩(wěn)定性越好，起降要求越高，自重越大，便攜性越差。在機(jī)體內(nèi)部安裝有姿態(tài)控制單元、GPS接收單元、動(dòng)力控制單元和信號(hào)接收模塊等機(jī)載電子設(shè)備。每個(gè)機(jī)臂末端安裝無(wú)刷電機(jī)

40、和螺旋槳，用于提供升力。飛行電池為可更換設(shè)計(jì)，多安裝于內(nèi)部或掛載于機(jī)身下。機(jī)身下部?jī)蓚?cè)裝有腳架，保證掛載設(shè)備不觸地。機(jī)載設(shè)備多以掛載方式掛于機(jī)身之下，少數(shù)置于頂部。由于攝影測(cè)量任務(wù)視角均朝向正下方或者斜下方，設(shè)備掛于機(jī)身下不會(huì)出現(xiàn)遮擋視野等問(wèn)題。不同于大型飛機(jī)的航空相機(jī)，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量作業(yè)多使用小型單反或微單相機(jī)，如SONY NEX-5R、SONY a7r、Canon 5D3等，要求光學(xué)性能好，幾何畸變少，像素高。傾斜攝影作業(yè)時(shí)還可掛載五鏡頭相機(jī)，該相機(jī)有五個(gè)鏡頭和五個(gè)傳感器，分別從正上方和四個(gè)對(duì)稱的傾斜角度拍攝地物，可以一次獲取同一地物的五個(gè)不同角度的影像。相比于常規(guī)單鏡頭相機(jī)，大大提高了傾

41、斜攝影的效率。掛載相機(jī)通常與云臺(tái)配合使用。云臺(tái)是指通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)或者傳感器、伺服電機(jī)等電子設(shè)備，使相機(jī)姿態(tài)保持穩(wěn)定的一種裝置。云臺(tái)多用于航拍領(lǐng)域，也用于地面的電影電視拍攝。由于飛機(jī)靠高速轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳提供升力，螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生震動(dòng)，由機(jī)臂傳遞到機(jī)身各處。這種震動(dòng)按頻率分為低頻震動(dòng)和高頻震動(dòng)。低頻震動(dòng)會(huì)對(duì)相機(jī)精密零件產(chǎn)生破壞，并且使成像抖動(dòng)、模糊；高頻震動(dòng)會(huì)使成像畫面出現(xiàn)帶狀波紋，扭曲變形。這兩種震動(dòng)都需要被減弱或消除。另一方面，飛機(jī)在做俯仰、偏航等動(dòng)作時(shí)，必然會(huì)連帶影響相機(jī)的姿態(tài)，干擾拍攝。使用云臺(tái)能減少飛機(jī)的震動(dòng)傳遞，并且能將相機(jī)姿態(tài)與無(wú)人機(jī)姿態(tài)分離，使二者達(dá)到基本獨(dú)立。云臺(tái)電機(jī)

42、能根據(jù)信號(hào)旋轉(zhuǎn)一定角度，無(wú)論飛機(jī)姿態(tài)如何，均能保持當(dāng)前角度。通過(guò)XYZ軸上的三個(gè)云臺(tái)電機(jī)，能保證相機(jī)在三維空間內(nèi)的姿態(tài)。通常機(jī)載設(shè)備與飛行控制設(shè)備相連接，由飛控系統(tǒng)發(fā)出指令，完成控制云臺(tái)角度、相機(jī)設(shè)置、拍照等動(dòng)作。地面控制設(shè)備包括遙控器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、功率放大器、地面站等。其中最核心的設(shè)備是遙控器，它控制無(wú)人機(jī)最基本的升降、俯仰、偏航等動(dòng)作，操控人員通過(guò)遙控器直接控制無(wú)人機(jī)，在所有地面設(shè)備中擁有最高的優(yōu)先級(jí)。在大范圍航測(cè)任務(wù)中，由于遙控器自身的信道不足和功率較小等原因，需額外配備數(shù)據(jù)傳輸模塊和功率放大設(shè)備，用來(lái)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸無(wú)人機(jī)的位置、姿態(tài)、高度、航速等飛行數(shù)據(jù)，并顯示于地面站。地面站一般裝

43、有配套的硬件和地面端控制軟件，用于接收傳輸回地面信號(hào)以及發(fā)送指令。地面站可完成航測(cè)規(guī)劃、定點(diǎn)飛行、自動(dòng)返航等操作。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)組成在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍較小，實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)人員較多，建筑較多，缺少滿足大型無(wú)人機(jī)起降條件的場(chǎng)地。因此，本實(shí)驗(yàn)使用輕便靈活的小型四旋翼無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，掛載1200萬(wàn)像素單鏡頭相機(jī)，采集垂直和傾斜影像。2.2 垂直影像采集方法與流程數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map, DOM）是指利用DEM或DSM對(duì)中心投影的航空影像進(jìn)行正射校正，再對(duì)其進(jìn)行鑲嵌融合生成的具有正射投影性質(zhì)的影像數(shù)據(jù) REF _Ref482

44、971865 r * MERGEFORMAT 13 ADDIN NE.Ref。無(wú)人機(jī)影像采集按照采集方式分為垂直和傾斜兩種方式，本文中，垂直影像是指在攝影時(shí)相機(jī)主光軸垂直于水準(zhǔn)面或主光軸與鉛垂線的夾角小于2時(shí)拍攝的影像。2.2.1 垂直影像采集方法垂直影像是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量作業(yè)的主要數(shù)據(jù)形式，采集垂直影像的方式也稱為垂直攝影。拍攝影像時(shí)，要求相片傾斜角不大于2。目前無(wú)人機(jī)均配備三軸自穩(wěn)云臺(tái)，保證相機(jī)在飛行時(shí)不受機(jī)身震動(dòng)的影響，也使相機(jī)姿態(tài)獨(dú)立于飛機(jī)俯仰、滾轉(zhuǎn)等動(dòng)作，始終保持視角。在云臺(tái)的控制下，均能保證相機(jī)主光軸傾斜角小于2，獲取垂直影像。航測(cè)任務(wù)規(guī)劃需注意測(cè)區(qū)周圍環(huán)境，要根據(jù)測(cè)區(qū)地形、氣象、

45、法規(guī)、人文等因素制定飛行計(jì)劃。(1) 根據(jù)測(cè)區(qū)地形，選擇合適的起降場(chǎng)地。盡量選擇靠近測(cè)區(qū)，地形平坦開闊的地點(diǎn)。根據(jù)地形和比例尺，確定飛行高度。在高程變化不大的區(qū)域，如城市、田地等地區(qū)，可以設(shè)置單個(gè)飛行高度；若測(cè)區(qū)在山地、丘陵等地形起伏較大的區(qū)域，則應(yīng)適當(dāng)提高飛行高度，或者分區(qū)塊確定不同的飛行高度。一般要求航高是地面最大高差的6倍以上。(2) 飛行前應(yīng)關(guān)注測(cè)區(qū)的天氣狀況。要求在飛行時(shí)段測(cè)區(qū)的光照條件良好，少云，使影像亮度高，對(duì)比清晰，提高后期處理精度。盡量在正午時(shí)段飛行，此時(shí)太陽(yáng)高度角最大，地物陰影少，不僅成圖效果好，也提高了識(shí)別算法的準(zhǔn)確度。若在冬季執(zhí)行任務(wù)，還需注意環(huán)境溫度不能低于無(wú)人機(jī)工作

46、溫度，否則將不能正常飛行，甚至使無(wú)人機(jī)墜毀。(3) 飛行前需查閱相關(guān)法規(guī)文件，遵守當(dāng)?shù)仫w行法規(guī)。如有需要，還需向有關(guān)部門申請(qǐng)空域，確保合法飛行。(4) 若測(cè)區(qū)相對(duì)較大，需要分時(shí)段飛行的情況下，應(yīng)選取間隔小、氣象條件相似的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行。要保證地物在航測(cè)期間內(nèi)沒有發(fā)生明顯變化，不同時(shí)段的影像在對(duì)比度、飽和度、曝光量、陰影等方面相同或相似。使用航測(cè)規(guī)劃軟件，能基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化航測(cè)作業(yè)，大大提高了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和作業(yè)效率。對(duì)于大型航測(cè)無(wú)人機(jī)，廠商開發(fā)了配套的軟件，集航線規(guī)劃，數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理于一體。而對(duì)于小型無(wú)人機(jī)，也有第三方航線規(guī)劃軟件可以在移動(dòng)設(shè)備上使用，如Pix4D Capture、Altizure

47、、DJI Ground Station等。將移動(dòng)設(shè)備和遙控器連接，無(wú)人機(jī)操控手只需劃定測(cè)區(qū)范圍，設(shè)置飛行高度、重疊率、拍照模式等參數(shù)，軟件即可自動(dòng)生成航點(diǎn)任務(wù)并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至無(wú)人機(jī)飛控中，航線及航點(diǎn)如圖2-2所示。此后無(wú)人機(jī)隨時(shí)可以自主飛行。由于無(wú)人機(jī)掛載設(shè)備在像素、光學(xué)指標(biāo)、幾何指標(biāo)等條件上劣于航空相機(jī)，為達(dá)到一般航攝精度，要求作業(yè)時(shí)航向重疊度不低于70%、旁向重疊度不低于50%。圖2-2 無(wú)人機(jī)航線示意圖高精度航測(cè)任務(wù)中還需在地面布設(shè)控制點(diǎn)。在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻選取像控點(diǎn)，要求在影像中清晰可分辨。利用全站儀、RTK等技術(shù)測(cè)定控制點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程。并在后期處理中導(dǎo)入軟件參與整體解算，提高精度

48、。2.2.2 垂直影像采集流程(1) 測(cè)區(qū)概況：西南交通大學(xué)犀浦校區(qū)位于成都市西北部，三環(huán)路至繞城高速之間，屬成都市郫都區(qū)管轄。校區(qū)為西北-東南走向，地面無(wú)劇烈起伏，校內(nèi)有兩片湖泊及一條河流，主要建筑為學(xué)生宿舍、生活區(qū)、體育館、教學(xué)樓、圖書館、實(shí)驗(yàn)室等，校園占地面積約2平方公里。校園周圍是生活小區(qū)及未開發(fā)地塊，南、西、北三面人員密集。校區(qū)所在的成都平原氣候溫潤(rùn)，陽(yáng)光少，陰天較多，無(wú)風(fēng)及微風(fēng)天氣占多數(shù)，適宜航測(cè)飛行。(2) 測(cè)區(qū)分塊：小型四旋翼無(wú)人機(jī)航程小，單次飛行面積有限。根據(jù)校區(qū)幾何形狀、飛行器航時(shí)及電池?cái)?shù)量、起降場(chǎng)地等因素，將測(cè)區(qū)分為六個(gè)小區(qū)塊，分三天飛行，每天拍攝兩個(gè)區(qū)塊。六個(gè)區(qū)塊分別是

49、：南區(qū)體育場(chǎng)、南門及機(jī)車園、南區(qū)宿舍及北區(qū)體育場(chǎng)、圖書館及其南部教學(xué)樓、北區(qū)宿舍及浙園、圖書館北部教學(xué)樓，每個(gè)區(qū)塊之間有重疊。(3) 時(shí)間計(jì)劃：根據(jù)氣象資料，確定數(shù)據(jù)獲取日期為2016年12月28日至2016年12月30日。期間天氣情況均為陰天，陽(yáng)光弱，微風(fēng)。每天均選擇下午2點(diǎn)至4點(diǎn)時(shí)段拍攝，該時(shí)段光照條件好，地面人員少，對(duì)影像質(zhì)量和飛行安全均有保障。拍攝計(jì)劃為：12月28日，拍攝南區(qū)體育場(chǎng)、南門及機(jī)車園，飛行高度150米。12月29日，拍攝南區(qū)宿舍及北區(qū)體育場(chǎng)、圖書館及其南部教學(xué)樓，飛行高度180米。12月30日，拍攝北區(qū)宿舍及浙園、圖書館及北部教學(xué)樓，飛行高度為150米。(4) 拍攝計(jì)劃：

50、航測(cè)使用Pix4D Capture 軟件在iPad設(shè)備上進(jìn)行輔助規(guī)劃，如圖2-3所示。Pix4D軟件以衛(wèi)星或者矢量數(shù)據(jù)作為底圖，用戶在底圖之上劃定任務(wù)范圍并調(diào)整航向，在設(shè)置中調(diào)整重疊度、拍照模式、白平衡等參數(shù)，即可準(zhǔn)備飛行。飛行時(shí)軟件實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)和相機(jī)畫面，并顯示在移動(dòng)設(shè)備屏幕上。用戶能看到無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置和鏡頭畫面。軟件會(huì)根據(jù)無(wú)人機(jī)位置，通過(guò)遙控器發(fā)送快門指令到無(wú)人機(jī)。因此在飛行時(shí)，需選擇空曠、信號(hào)干擾少、遮擋少的場(chǎng)地起降無(wú)人機(jī)，以保持遙控器與無(wú)人機(jī)的通信。對(duì)校園環(huán)境考察分析后，最終選擇的起降場(chǎng)地為南區(qū)體育場(chǎng)、教學(xué)樓樓頂和浙園。圖2-3 航測(cè)任務(wù)規(guī)劃(5) 飛行拍攝：按計(jì)劃到達(dá)預(yù)定場(chǎng)

51、地，取出無(wú)人機(jī)并組裝好。起飛前要進(jìn)行各項(xiàng)檢查，包括電池狀況、螺旋槳有無(wú)破損、云臺(tái)是否正常等 REF _Ref482976634 r * MERGEFORMAT 14。啟動(dòng)無(wú)人機(jī)，等待無(wú)人機(jī)飛控初始化完成，進(jìn)入飛行軟件查看各項(xiàng)參數(shù)是否正常，包括IMU模塊是否正常、指南針是否校準(zhǔn)、GPS星數(shù)是否足夠、SD卡空間是否足夠等。按計(jì)劃在Pix4D Capture軟件中畫出測(cè)量區(qū)域，設(shè)置航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，檢查其它設(shè)置，之后將任務(wù)上傳至無(wú)人機(jī)。點(diǎn)擊“Take Off”，無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛并按航線飛行。飛行過(guò)程中，觀察屏幕各項(xiàng)飛行參數(shù)及信號(hào)質(zhì)量，若出現(xiàn)異常則立刻切換至手動(dòng)飛行模式，操控?zé)o人機(jī)

52、安全返航。任務(wù)完成后，無(wú)人機(jī)自動(dòng)返航至起飛點(diǎn)。(6) 數(shù)據(jù)整理：飛行完成后將SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)出至電腦，按日期歸類存放。檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，如有遺漏或不合格則計(jì)劃補(bǔ)拍。2.3 傾斜影像采集方法與流程傾斜攝影技術(shù)近年在國(guó)內(nèi)得到了快速發(fā)展，狹義的傾斜攝影指在同一飛行平臺(tái)上掛載多個(gè)傳感器，同時(shí)從多個(gè)角度獲取地物影像的技術(shù)；廣義上泛指從不同角度獲取地物影像的技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)精度高、效率高，大幅減少了人力物力和時(shí)間成本，是實(shí)景三維建模數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。2.3.1 傾斜影像采集方法不同于垂直影像，傾斜影像的獲取方法更為多樣靈活。大型六旋翼或八旋翼無(wú)人機(jī)可以攜帶五鏡頭甚至八鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影作業(yè)，一般用于大范圍的三

53、維建模。用這種設(shè)備采集效率高，航線簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)易于管理；但是也存在保養(yǎng)難度大，成本高的問(wèn)題。多鏡頭設(shè)備采集方式類似垂直影像，有配套的航線規(guī)劃軟件來(lái)自動(dòng)規(guī)劃航線。這種軟件能根據(jù)測(cè)區(qū)幾何參數(shù)、相機(jī)鏡頭參數(shù)和目標(biāo)分辨率自動(dòng)計(jì)算航高與路線 REF _Ref482983145 r * MERGEFORMAT 15。小型無(wú)人機(jī)攜帶單鏡頭也能進(jìn)行傾斜影像的采集，缺點(diǎn)是航線復(fù)雜，較為耗時(shí)，但是拍攝分辨率更高，貼圖紋理清晰，模型更加精細(xì)。傾斜攝影需要從多個(gè)角度和高度對(duì)建筑物進(jìn)行拍攝，盡可能多地獲取建筑物幾何與紋理信息。但是，過(guò)多的數(shù)據(jù)也會(huì)造成處理速度緩慢，數(shù)據(jù)量大的冗余問(wèn)題。因此，拍攝密度過(guò)低或過(guò)高都不能達(dá)到理想

54、的效果。而目前針對(duì)單鏡頭的小型多旋翼無(wú)人機(jī)還沒有相應(yīng)的航線規(guī)劃軟件來(lái)自動(dòng)規(guī)劃飛行任務(wù)，所以操作此類無(wú)人機(jī)采集傾斜影像要事先考察場(chǎng)地以及規(guī)劃航線，也需要操控手具備一定的飛行和數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于建筑物的影像采集，通常要按照一定順序，圍繞建筑物外墻面飛行拍攝，每張照片的重疊度不小于60%，相鄰影像的視角差在15之內(nèi)，如圖2-4所示。對(duì)于兩層以上的建筑物，需要在不同的高度和角度分別拍攝兩到三個(gè)環(huán)繞，每個(gè)環(huán)繞之間也要保持50%以上的重疊度，如圖2-5所示。在建筑物的弧面或轉(zhuǎn)角處，還需加大拍攝密度。最后在距建筑物頂部以上一定高度拍攝其垂直影像。若建筑物有天井、塔樓等特殊結(jié)構(gòu)，也應(yīng)對(duì)其外立面進(jìn)行影像采集，方

55、法同上，如條件不滿足可適當(dāng)放寬要求。 圖2-4 環(huán)繞拍攝 圖2-5 不同高度拍攝拍攝同時(shí)還應(yīng)記錄影像中心GPS數(shù)據(jù)，一般無(wú)人機(jī)已經(jīng)能在拍照同時(shí)記錄成像中心的GPS數(shù)據(jù)，并保存在影像元數(shù)據(jù)中。添加完整的POS數(shù)據(jù)能進(jìn)一步提高解算精度。記錄相機(jī)空間姿態(tài)需要額外設(shè)備，如沒有姿態(tài)數(shù)據(jù)也能通過(guò)空中三角測(cè)量解算姿態(tài)并加密，但模型精度會(huì)有所下降。進(jìn)行拍攝時(shí)要注意建筑物結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境，如建筑高度、墻面材質(zhì)、南北朝向、人群密度、周邊建筑高度等，據(jù)此規(guī)劃飛行方案。盡量選擇多云、陰天時(shí)拍攝，使光照均勻柔和，減少陰影。影像中目標(biāo)建筑要占據(jù)畫面主體。2.3.2 傾斜影像采集流程(1) 測(cè)區(qū)建筑概況：犀浦校區(qū)內(nèi)主要建筑物

56、有：1-22號(hào)天佑齋、4-11號(hào)鴻哲齋、1-4食堂及生活服務(wù)區(qū)、南區(qū)體育場(chǎng)、北區(qū)體育場(chǎng)及體育館、1-9號(hào)教學(xué)樓、圖書館、行政樓。所有建筑均在60米以下，教學(xué)區(qū)建筑之間間隔較大，有利于環(huán)繞拍攝，但是多數(shù)教學(xué)樓有天井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則。生活區(qū)建筑密集，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多為連體建筑，且周圍人群較多。(2) 飛行計(jì)劃：教學(xué)區(qū)為重點(diǎn)建模區(qū)域，模型精度要求高。每棟建筑單獨(dú)采集影像，單獨(dú)建模。因單次飛行時(shí)間有限，計(jì)劃每天采集一至兩棟建筑影像，均選擇在下午2點(diǎn)至4點(diǎn)時(shí)段進(jìn)行拍攝。首先以兩個(gè)不同的高度和角度環(huán)繞建筑飛行，覆蓋外墻面和樓頂；再飛至天井上方，面對(duì)井內(nèi)墻面環(huán)繞拍攝一圈；最后飛至建筑上方，采集建筑的垂

57、直影像。對(duì)于生活區(qū)，采用大區(qū)域建模的方式，將宿舍群作為整體建模。計(jì)劃每天拍攝一個(gè)宿舍群，拍攝方法同教學(xué)區(qū)。所有拍攝在兩周之內(nèi)完成，確保拍攝期間校園景物不發(fā)生明顯變化。(3) 飛行拍攝：選取建筑物附近空地或樓頂作為起飛場(chǎng)地。與垂直影像采集一樣，起飛前檢查各機(jī)械、電子部件，啟動(dòng)無(wú)人機(jī)后檢查各項(xiàng)飛行參數(shù)。確認(rèn)安全后起飛，按照外墻面兩圈、天井內(nèi)墻面一圈和垂直攝影的順序依次采集建筑物影像。飛行全程由操控手操作無(wú)人機(jī)，飛行時(shí)通過(guò)安裝在移動(dòng)設(shè)備上的配套軟件查看飛行參數(shù)和實(shí)時(shí)畫面，通過(guò)遙控器發(fā)送拍照指令。(4) 數(shù)據(jù)整理：飛行完成后將SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸至電腦，按所屬建筑物分文件夾存放。在建模軟件中初步導(dǎo)入影像，

58、查看每張照片拍攝點(diǎn)的空間位置，是否符合實(shí)際情況。如有遺漏或錯(cuò)誤，則計(jì)劃補(bǔ)拍。2.4 本章小結(jié)本章首先介紹了無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成，包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)、掛載設(shè)備和地面端控制設(shè)備。然后分垂直影像與傾斜影像兩部分，詳細(xì)說(shuō)明了使用無(wú)人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)的方法與流程。第3章 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理本章首先介紹了無(wú)人機(jī)影像處理相關(guān)技術(shù)方法，包括攝影測(cè)量理論和三維重建理論。再詳細(xì)介紹了無(wú)人機(jī)垂直影像和傾斜影像的處理方法與流程，并展示了最終的數(shù)據(jù)成果。3.1 垂直影像處理本文共獲取496張垂直影像，覆蓋西南交大犀浦校區(qū)及周邊區(qū)域。所有影像均有GPS坐標(biāo)，包括經(jīng)緯度和高程，坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系。數(shù)據(jù)初步處理、空三加

59、密和影像拼接均使用Pix4D Mapper軟件。3.1.1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量相關(guān)技術(shù)方法數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法，從影像提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何和物理信息的攝影測(cè)量的分支學(xué)科 REF _Ref482971053 r * MERGEFORMAT 16。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量主要包括以下理論與方法：(1) 內(nèi)定向與外定向在攝影的瞬間，攝影中心與影像在特定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與姿態(tài)參數(shù)稱為影像的方位元素。其中，表示攝影中心與相片之間相對(duì)坐標(biāo)與姿態(tài)的參數(shù)稱為內(nèi)方位元素；表示攝影中心和影像在地面測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與姿態(tài)參數(shù)稱為外方位

60、元素。而確定內(nèi)（外）方位元素的過(guò)程，稱為內(nèi)（外）定向。內(nèi)方位元素由三個(gè)元素構(gòu)成：攝影中心到像平面的垂直距離f，攝影中心投影在像平面上的坐標(biāo)（x0，y0）。內(nèi)方位元素通常是穩(wěn)定的，由攝影機(jī)廠家提供或用戶自行檢校。外方位元素包含6個(gè)元素：3個(gè)直線元素和3個(gè)角元素?？梢酝ㄟ^(guò)GPS接收機(jī)、加速度計(jì)等傳感器獲取。傳統(tǒng)攝影測(cè)量中，外方位元素由一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，通過(guò)共線條件方程平差計(jì)算得到，這種方法也稱為空間后方交會(huì)。其數(shù)學(xué)模型為：x=fa1XXs+b1YYs+c1ZZsa3(XXs)+b3YYs+c3ZZs (3-1)y=fa2XXs+b2YYs+c2ZZsa3(XXs)+b3YYs+c3ZZs (3